АДГЕЗІЙНО – ПРУЖНА МОДЕЛЬ ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕРТЯ МАШИНОБУДІВНИХ МАТЕРІАЛІВ В ЗВ’ЯЗКУ З ПОКАЗНИКАМИ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ
Анотація
DOI: https://doi.org/10.26565/2079-1747-2025-35-08
У статті розглянуто актуальне питання зниження коефіцієнта тертя в умовах сухого контакту між поверхнями машинобудівних деталей шляхом оптимізації параметрів шорсткості. На основі аналізу сучасних досліджень у сфері трибології встановлено, що традиційні підходи, орієнтовані на змазування, не є ефективними або можливими в низці високотехнологічних процесів, таких як вакуумна металізація, нанесення функціональних покриттів тощо. Тому пошук методів зниження тертя в умовах сухого контакту є особливо важливим для підвищення довговічності та енергоефективності елементів технічних систем. Основна увага в роботі приділена створенню математичної моделі, яка враховує як пружні деформації мікронерівностей поверхні, так і адгезійні взаємодії, що виникають у зоні контакту. Для опису згину мікронерівностей застосовано рівняння згину пластини, а для опису контактної взаємодії – класичну модель Герца. У результаті чисельного моделювання показано, що коефіцієнт тертя суттєво залежить від висоти Ra та середнього кроку Sm шорсткості, а також від параметрів матеріалів, що визначають їхню пружність і адгезійну здатність. Виявлено, що зі зміною геометричних параметрів мікронерівностей та властивостей матеріалів коефіцієнт тертя може мати як зростаючий, так і спадний характер. Найбільшу інженерну цінність має виявлення чітко вираженого мінімуму коефіцієнта тертя для певного поєднання параметрів шорсткості та матеріалів. Це відкриває можливості для свідомого проектування технологічних режимів обробки поверхонь з метою досягнення оптимальних характеристик тертя без застосування мастильних матеріалів. У статті наведено графічні залежності, що ілюструють поведінку коефіцієнта тертя в залежності від параметрів поверхні та рівня адгезії. Сформульовані теоретичні висновки можуть бути використані для вибору оптимальних значень шорсткості при конструюванні та виготовленні деталей машин, які працюють у вакуумі, біомедичних пристроях, а також в умовах обмеженого доступу до мастила. Автори також підкреслюють необхідність подальших досліджень для точного визначення коефіцієнтів адгезійної взаємодії (k₁ і k₂), а також уточнення ролі фактичної площі контакту, що може істотно впливати на силу тертя.
In cites: Riabchykov M., Puts V., Martyniuk V. (2025). Adhesive-elastic model of determining the friction coefficient of engineering materials in connection with surface roughness indicators. Engineering, (35), 74-84. https://doi.org/10.26565/2079-1747-2025-35-08 (in Ukraine)
Завантаження
Посилання
DSTU ISO 4287:2012. Tekhnichni vymohy do heometrii vyrobiv (GPS). Struktura poverkhni. Profilnyi metod. Terminy, vyznachennia poniat i parametry struktur. Vydannia ofitsiine. [DSTU ISO 4287:2012. Technical requirements for product geometry (GPS). Surface structure. Profile methods. Terms, definitions of concepts and parameters of structures. Official edition.] Kyiv, Minekonomrozvytku Ukrainy, 2013, 16.s.
(in Ukraine)
B Yunfei Li, Jiachun Lin, Huixu Song, Yunjin Xiang, Zhaoyao Shi, Ulf Olofsson, Local surface roughness of cylindrical gears: Concept, method, and application, Tribology International, 2025, Volume 207, 110637, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2025.110637.
Yufei Liang, Shengqiang Zhou, Huafeng Li, Lin Yang, A contact model based on multi-scale rough surface of ultrasonic motor, Measurement, 2025,Volume 249, 117025, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.117025.
Yan Feng, Xiu Jiang Shi, Xi Qun Lu, Wen Sun, Kun Peng Liu, Yun Fei Fei, Predictions of friction and wear in ball bearings based on a 3D point contact mixed EHL model, Surface and Coatings Technology, 2025, Volume 502, 131939, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2025.131939.
Quan Gan, Xinyuan Zhang, Qiang Li, Jianye Chen, Fengshou Zhang, Zhen Zhong, Yunzhong Jia, Pengliang Yu, Mengke An, Derek Elsworth, Influence of roughness and slip velocity on the evolution of frictional strength, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2025, Volume 188, 106076, https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2025.106076.
Florea VA, Toderaș M, Danciu C. The Influence of Roughness of Surfaces on Wear Mechanisms in Metal–Rock Interactions. Coatings. 2025; 15(2):150. https://doi.org/10.3390/coatings15020150
Alaci S, Lupascu C, Romanu I-C, Cerlinca D-A, Ciornei F-C. Some Aspects of the Effects of Dry Friction Discontinuities on the Behaviour of Dynamic Systems. Computation. 2024; 12(9):181. https://doi.org/10.3390/computation12090181
Guinea, A., Aginagalde, A., Tato, W. et al. Impact of surface roughness on the coefficient of friction of polymer-on-polymer contacts for deflection pulley-rope systems in the lift industry. Friction , 2024 12, 2126–2138. https://doi.org/10.1007/s40544-024-0881-8
X. Wang, F. Guo, F. Li, Z. Liu and J. Kou, "Influence of Surface Roughness of Sliding Friction Pairs on Pantograph–Catenary Contact Resistance," in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 10, no. 4, pp. 10208-10218, Dec. 2024, doi: 10.1109/TTE.2024.3384022.
Trzepieciński T, Szwajka K, Szewczyk M. Analysis of Coefficient of Friction of Deep-Drawing-Quality Steel Sheets Using Multi-Layer Neural Networks. Lubricants. 2024; 12(2):50. https://doi.org/10.3390/lubricants12020050
Hans Terwisscha-Dekker, Albert M. Brouwer, Bart Weber, Daniel Bonn, Elastic contact between rough surfaces: Bridging the gap between theory and experiment, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 188, 2024, 105676, https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105676.
Ajinkya Pawar, Venkata Harish Babu Manne, Andrea Vacca, Manuel Rigosi, Analysis of torque efficiency of External Gear Machines considering gear teeth roughness, Mechanism and Machine Theory, Volume 199, 2024, 105675, https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2024.105675.
Keropyan, A.M., Albagachiev, A.Y. Study of the Main Factors Affecting the Increase in the Friction Coefficient of Interacting Surfaces of Rail Vehicles. J. Mach. Manuf. Reliab. 53, 208–211, 2024. https://doi.org/10.1134/S1052618824700055
Sanoussi NS, Hammami M, Feki N, Belgasam T, Abbes MS, Haddar M. Utilizing design of experiments techniques to determine the optimal coefficient of friction in spur gears. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J. 2024;238(5):500-520. doi:10.1177/13506501231223073
Yang Z, Li W, Zheng X, Zhao M, Zhang Y. The Influence of Initial Surface Roughness on the Current-Carrying Friction Process of Elastic Pairs. Materials. 2025; 18(2):370. https://doi.org/10.3390/ma18020370
Qinghua Meng, Hengxu Song, Yunong Zhou, Xiaoming Liu, Xinghua Shi,
Unifying linear proportionality between real contact area and load in rough surface contact, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 196, 2025, 105975, https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105975.
Wang, C., Li, Y., Li, Y. et al. Coupling effect of large deformation and surface roughness on dynamic frictional contact behaviors of hyperelastic material. Comput Mech 75, 455–473 (2025). https://doi.org/10.1007/s00466-024-02513-0
Vashishtha G, Chauhan S, Singh R, Singh M, Tejani GG. A Review of Numerical Techniques for Frictional Contact Analysis. Lubricants. 2025; 13(1):18. https://doi.org/10.3390/lubricants13010018
K. Murakami and T. Sakamoto, "System for Measuring Material Properties and Surface Roughness of Objects from Microscopic Images," 2024 IEEE SENSORS, Kobe, Japan, 2024, pp. 1-4, doi: 10.1109/SENSORS60989.2024.10784849.
Lenzi, E., Farroni, F., Sakhnevych, A., Timpone, F., Genovese, A. (2024). Laboratory Linear Friction Tester: Design and Results. In: Ciulli, E., Ruggiero, A. (eds) Proceedings of ITS-IFToMM 2024. ITS-IFToMM 2024. Mechanisms and Machine Science, vol 160. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-62616-6_3
Varenberg, M. Modeling Contact of Rough Surfaces with Bearing Ratio Curves. Tribol Lett 72, 104, 2024. https://doi.org/10.1007/s11249-024-01896-8
Teng Hu, Liangxi Xie, Junwen Chen, Zhenyu Huang, Jiaxin Wang, Numerical study on tribology properties of textured surfaces based on a new contact model, Materials Today Communications, Volume 40, 2024, 109969, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109969.
